我們都知道,在以往的交直流伺服驅(qū)動器緩上電應(yīng)用上,為了抑制上電時(shí)大電流對整流橋、功率電容的沖擊,大都采用普通的三相整流全橋+繼電器控制方式來實(shí)現(xiàn)緩上電,此方法的主要缺點(diǎn)有:
◇一般繼電器的觸點(diǎn)容量滿足不了大功率應(yīng)用場合,觸點(diǎn)流過大電流時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重,線包發(fā)熱也很嚴(yán)重,在高溫高熱環(huán)境下工作更是如此;
◇正常運(yùn)行過程中,如由于某種原因?qū)е吕^電器帶大電流吸合或者斷開,則很容易引起繼電器損壞,甚至引起整個(gè)驅(qū)動回路的損壞;
◇響應(yīng)時(shí)間長,在電網(wǎng)不穩(wěn)定時(shí)仍可能造成電網(wǎng)對整流橋有很大的電流沖擊;
◇耐壓問題:由于觸點(diǎn)為流過動力回路的大電流,必然要求線包與觸點(diǎn)間的絕緣要求很高,而此類繼電器現(xiàn)很難購買到。
因此,為了解決上述的缺點(diǎn),國外有些廠家推出了晶閘管(可控硅)三相整流全橋,如日本三社公司推出的DFA XXX BA xxx系列整流橋,在不改變原整流橋外形、安裝尺寸的情況下,內(nèi)含一緩上電專用的可控硅,方便用戶簡化電路設(shè)計(jì),為進(jìn)一步提高產(chǎn)品可靠性提供了可能?,F(xiàn)以DFA100BA160為例,介紹該類整流橋的使用方法,以達(dá)拋磚引玉的目的。
1 DFA100BA160工作原理簡介
1.1 DFA100BA160的等效電路如圖1所示,主要特點(diǎn)有:
(1)可連續(xù)耐受1600VDC的電壓,能瞬時(shí)耐受1700VDC的電壓;
(2)可連續(xù)輸出100ADC的電流,能瞬時(shí)輸出>1000ADC的電流;
(3)內(nèi)置的可控硅可耐受電流沖擊能力>7000A2S,電流變化率di/dt>150A/μs;且由于該可控硅也和橋內(nèi)的二極管一樣內(nèi)置于該整流橋的散熱基板上,而整流橋一般是安裝在驅(qū)動器散熱器上,所以其額定工作電流是有保障的。
? ? ? ? 從圖1可以看出,若圖中的可控硅未開通,即使3、4、5腳加入功率電,電流不能通過該可控硅流通,只能通過別的旁路(如緩上電電阻)流通。利用該可控硅,可實(shí)現(xiàn)緩上電的自動控制功能。
從圖1也可以看出,DFA100BA160可分為輸入部分(3、4、5腳)和輸出(1、2)二部分,控制部分(6、7腳)。
1.2 DFA100BA160引腳功能見表1
2 DFA100BA160在伺服系統(tǒng)上的應(yīng)用
2.1 一種用DFA100BA160作緩上電自動控制的典型伺服系統(tǒng)的功率電路(見圖2)
圖中A、B、C為3φ380VAC的輸入端,KZi為整流橋內(nèi)置可控硅的控制輸入端,R5、R6為功率回路的緩上電電阻,同時(shí)R6也是TLP741光耦的電源采樣電阻。
2.2 電路工作原理
由圖2可見, 當(dāng)A、B、C端口剛送入3φ380VAC時(shí),則:
(1)KZi送入的電平為高,TLP741原邊不通,則付邊不通,整流橋內(nèi)置的可控硅不會導(dǎo)通,功率回路的充電電流只能通過三相全橋、R5、R6往功率電容C3充電,此前,上位機(jī)應(yīng)禁止負(fù)載從功率電容C3上用電;
(2)當(dāng)上位機(jī)檢測到C3電容兩端的電壓變化率小于規(guī)定值時(shí),則KZi送入的電平為低,允許TLP741原邊導(dǎo)通,則付邊在滿足開通的條件下,隨時(shí)準(zhǔn)備好觸發(fā)整流橋內(nèi)置的可控硅導(dǎo)通。此時(shí),如果采樣電阻R6上的電壓降可能很小,不足以讓TLP741內(nèi)的可控硅導(dǎo)通,或R6上的電壓降足夠讓TLP741內(nèi)的可控硅導(dǎo)通,但并不足以讓整流橋內(nèi)置的可控硅導(dǎo)通,則在此段時(shí)間內(nèi),整流橋內(nèi)置的可控硅可能是不導(dǎo)通的;
(3)在送出的KZi信號為低,延時(shí)約10ms后(目的:充分保障觸發(fā)電路準(zhǔn)備好),允許功率回路C3帶負(fù)載。此時(shí),如果C3電容兩端電壓比整流出的電壓(即圖2中的0端對2腳端的電壓)高,則整流橋內(nèi)置的可控硅仍不導(dǎo)通,只有在下一個(gè)充電周期:當(dāng)0端的電壓比1端的電壓高、且采樣電阻R6上的電壓降足以讓整流橋內(nèi)置的可控硅導(dǎo)通時(shí),可控硅才會導(dǎo)通。由圖2功率回路帶電機(jī)負(fù)載(負(fù)載功率約為5KW)后測得的可控硅控制極(6、7端)實(shí)際波形如圖3、圖4所示。
由圖3可見,在觸發(fā)脈沖的高電平期間,為可控硅關(guān)斷時(shí)間,為主要由功率電容C3向負(fù)載提供功率期,約占整個(gè)脈沖周期的1/3;在觸發(fā)脈沖的低電平時(shí)間,為可控硅完全導(dǎo)通時(shí)間,為整流回路往功率電容充電并向負(fù)載提供功率期,約占整個(gè)脈沖周期的2/3。
圖4為圖3波形的部分展開圖,或者可以說是瞬時(shí)往功率回路充電需要提供的額外電流值:正常值為往電容C3的充電電流(對應(yīng)圖3中的類正弦波部分),額外值為往負(fù)載提供做功的電流(對應(yīng)圖3中的疊加在類正弦波上的紋波部分)。圖4中的時(shí)間段對應(yīng)于可控硅的關(guān)斷轉(zhuǎn)向?qū)?、充?負(fù)載電流均流經(jīng)電阻R5、R6的過渡期間。由于功率回路的PWM控制周期為6kHz,PWM開通時(shí),電流流經(jīng)R6,于是有觸發(fā)脈沖加到可控硅的C、K極,PWM關(guān)斷時(shí),無電流流經(jīng)R6,于是無觸發(fā)脈沖加到可控硅的G、K極,所以此時(shí)間段內(nèi)可控硅的觸發(fā)脈沖頻率也是6kHz。
(4)當(dāng)發(fā)現(xiàn)有故障或掉電需要關(guān)斷可控硅時(shí),上位機(jī)在完全斷開功率回路的負(fù)載后,再使送出的KZi信號為高,則最多延時(shí)一個(gè)電周期(=1/(6*50) s≈3.33ms)后,可控硅必然關(guān)斷。
(5)重復(fù)1~4,即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的控制過程。
3 注意事項(xiàng)
在圖2方案電路中,要關(guān)注:
(1)電阻功率問題:在圖2中,由上分析,可見電阻R5、R6在初次緩上電時(shí)瞬時(shí)流過的電流非常大,正常帶載工作過程,瞬時(shí)流過的電流也比較大,所以,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),必須注意選取電阻R5、R6的功率足夠大;同時(shí),在可控硅開通瞬間,流過電阻R1、R2的瞬間電流也較大,如圖5所示,即為圖2功率回路帶電機(jī)負(fù)載(負(fù)載功率約為5kW)所測得的波形圖:
由圖可見,R6的電壓降達(dá)7V,在每個(gè)供電周期(=50Hz*6=300Hz)均流過電流。由于R2的電壓降被可控硅G、K極嵌位在2V以內(nèi),則在電阻R1上的壓降:
≥7-2=5(V)
電阻R1上的瞬時(shí)功率:≥5*5/47≈0.53(W)
可見,電阻R1需承受的功率較大,所以也要注意選取電阻R1、R2的功率足夠大,以充分保障整個(gè)觸發(fā)控制電路的可靠性;
(2)時(shí)序問題:在上電時(shí),如果在橋內(nèi)的可控硅未滿足導(dǎo)通條件,就允許功率回路帶上負(fù)載,則電阻R5、R6很容易就燒斷損壞,所以上電時(shí),一定要保證在充分滿足橋內(nèi)的可控硅所需的開通條件后,再允許功率回路帶上負(fù)載工作;同樣,掉電時(shí),也要充分保證在完全斷開負(fù)載后,再使可控硅關(guān)斷。否則,不但很容易會造成緩上電電阻R5、R6甚至R1、R2損壞,也使可控硅可能工作在大電流情況下關(guān)斷,極易產(chǎn)生很高的關(guān)斷過壓,進(jìn)而損橋內(nèi)的可控硅,更是對橋內(nèi)的可控硅的安全工作造成威脅;
(3)電流變化率問題:在任何情況下,必須保證可控硅導(dǎo)通期任何時(shí)候的電流變化率都不能超過其標(biāo)稱的重復(fù)值;
(4)通態(tài)平均電流額定值:在實(shí)際使用中,由于不能充分保證整流橋的散熱,則元件應(yīng)降額使用。具體降額多少,需根據(jù)實(shí)際使用狀況來決定。
(5)驅(qū)動光耦問題:由于涉及到強(qiáng)電、弱電隔離,可控硅導(dǎo)通時(shí)需要的推動功率較大,光耦付邊耐壓問題等,必須慎重的選擇內(nèi)置可控硅的推動光耦。
4 方案優(yōu)點(diǎn)分析
由圖2可見,由于很巧妙的利用緩上電電阻R6上的電壓降作為光耦TLP741的供電電源,在需要橋內(nèi)的可控硅開通時(shí),才送出允許可控硅開通的開通信號;需要橋內(nèi)的可控硅關(guān)斷時(shí),才送出允許可控硅關(guān)斷的關(guān)斷信號。所以,在功率回路正常帶載工作時(shí),KZi的電平是一直保持為低的,可控硅的關(guān)斷、導(dǎo)通過程完全是自適應(yīng)的,無需專門的控制策略。這不但省去了一組專門的供電電源,也無傳統(tǒng)的可控硅觸發(fā)控制電路需求的由供電電源的檢出的同步脈沖(以確定觸發(fā)的時(shí)刻)、門極觸發(fā)所需求的隔離脈沖變壓器等,大大的簡化了觸發(fā)控制電路,使整個(gè)觸發(fā)控制電路的工作更為可靠。
5 結(jié)束語
從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,使用的內(nèi)含一緩上電專用的可控硅三相整流全橋,可以完全替代傳統(tǒng)的采用繼電器作緩上電控制策略的緩上電方式,方便用戶簡化電路設(shè)計(jì),節(jié)省安裝空間,為進(jìn)一步提高產(chǎn)品可靠性提供了可能。雖然如此,但也存在著如前面所述的許多需要注意的地方,并且在實(shí)際應(yīng)用中一定要特別注意上下電的時(shí)序配合問題,否則,在應(yīng)用過程仍然會容易發(fā)生元器件損壞的故障。
實(shí)驗(yàn)證明,只要解決好上述的問題,用該整流橋取代傳統(tǒng)的用整流橋+繼電器組合作緩上電控制策略的優(yōu)越性還是很明顯的,該類整流橋目前在我公司的交直流伺服產(chǎn)品上都已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。
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